在核工業(yè)中，核電站反應堆壓力容器、蒸發(fā)反應器、鍛造主管道等設備以及一些零部件的技術要求高、生產難度大，傳統(tǒng)制造工藝存在生產周期長、投入大、產品一次合格率較低等問題。

3D打印技術在小批量產品快速制造、復雜零部件制造領域頗具優(yōu)勢，將3D打印技術應用在核工業(yè)中是否有助于解決這些問題? 本期，3D科學谷整理了中國核工業(yè)企業(yè)在核電廠閥門或管道中的輻射屏蔽材料、核反應堆壓力容器以及核燃料元件這三個領域的3D打印應用，通過這些應用我們共同來了解一下3D打印技術在核工業(yè)零部件制造中有哪些值得探索的領域。

將復雜的任務交給3D打印

核輻射屏蔽材料的設計與3D打印

在核能源系統(tǒng)中會產生各種輻射射線，該輻射射線不僅會污染環(huán)境，還會對人體造成傷害。因此，在核電廠的部分閥門處或管道處需要通過屏蔽材料對輻射射線進行屏蔽，以減少環(huán)境污染和人體傷害。

屏蔽材料的制造主要采用模壓-擠出工藝或直接擠出工藝。但是存在屏蔽材料均勻性、成材性和密實度較差，易產生氣孔等問題。在屏蔽材料的設計方面，由于沒能結合需屏蔽的物體的形狀進行定制化設計，存在屏蔽材料不能貼合需屏蔽的物體，屏蔽效果差的問題。在進行制造之前的屏蔽設計中，需要現(xiàn)場考察，而核電廠分布范圍廣、每一核電廠內所需屏蔽的地方多，給屏蔽設計帶來了極大的困難。中廣核研究院通過三維掃描、3D打印技術以及云服務器在此類屏蔽材料的設計與制造中尋求突破的解決方案。

首先通過三維掃描裝置對需屏蔽的位置進行三維掃描，以獲取掃描數(shù)據(jù)，隨后將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺服務器。云平臺服務器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向軟件對掃描數(shù)據(jù)進行預處理，以生成CAD模型文件。核電用戶通過具有權限的用戶終端訪問云平臺服務器并下載CAD模型文件，根據(jù)尺寸精度、粗糙度、打印材料及切片方式將CAD模型文件與設計圖紙進行校核、改進。接下來將3D圖紙發(fā)送至與云平臺相連接的3D打印機進行打印。

使用三維掃描及云平臺進行設計，并通過3D打印機進行屏蔽材料小批量定制化生產，提高了核電屏蔽設計的可靠性、靈活性、安全性和經濟性，大大縮短了研發(fā)進程，降低成本。由于是根據(jù)需要屏蔽材料的位置定制化設計的，設計出的屏蔽材料可與需求部位實現(xiàn)更好的貼合，使屏蔽材料發(fā)揮出良好的核輻射屏蔽功能。

這種核輻射屏蔽材料的設計與制造模式可應用于所有已投入運行的核電站和在建的核電站中，滿足不同地域核電站的需求。

3D打印一體成型核反應堆壓力容器

2015年10月中國核動力研究設計院與南方增材科技有限公司，聯(lián)合發(fā)起ACP100反應堆壓力容器增材制造(3D打印)項目。2016年12月，這個項目的研究成果3D打印反應堆壓力容器試件已經通過國家能源領域相關專家的技術鑒定。

中國核動力研究設計院是中國唯一集核反應堆工程研究、設計、試驗、運行和小批量生產為一體的大型綜合性科研基地，核動力院積極致力于核電研發(fā)，培育了具有自主知識產權的國產化核電站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔著新一代壓水堆核電站ACP100/ACP600/ACP1000及CF系列燃料元件研究開發(fā)、超臨界水冷堆技術預先研究等科研項目。

南方增材科技有限公司擁有自主研發(fā)的大型電熔3D打印設備，能打印直徑達5.6米，長度達9米，重達300噸的厚壁重型金屬構件。該設備以金屬絲材與輔料為打印材料，在電熔冶金的環(huán)境下，利用高能熱源熔化原料絲材，根據(jù)成形構件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計算機控制，實現(xiàn)原材料逐層快速激冷凝固堆積，最終獲得超低碳、超細晶、組織均勻、綜合力學性能達到傳統(tǒng)鍛造工藝成形的金屬構件，包括反應堆壓力容器在內的核電大型金屬構件。

在3D打印過程中，項目雙方經過四輪材料試驗和兩輪工藝試驗，對材料成分、性能和成型結構方式給出了精準的技術要求，使初期材料試驗過程中力學性能強度過高的問題得到解決，為有效避免核輻照后材料出現(xiàn)脆化等問題奠定了基礎，并最終順利打印出了ACP100壓力容器3D打印試件。

采用傳統(tǒng)制造工藝制造反應堆壓力容器需要通過萬噸級重型鍛壓設備分段制造，然后再焊接在一起。中國核動力研究設計院與南方增材使用大型電熔3D打印技術，可精確地實現(xiàn)結構復雜的大型金屬構件一體成型，為核電裝備的高質量、高效率、低成本制造開辟了一條新的道路。經過技術鑒定，這個3D打印試件的產品性能可達到甚至部分優(yōu)于鍛件產品。

中國中核北方核燃料元件的3D打印

核燃料元件制造是集設計與加工于一體的高端精密制造，結構復雜，需多種工序交叉作業(yè)加工才能完成 。中核北方核燃料元件有限公司(二〇二廠)使用選擇性激光熔化3D打印技術制造了CAP1400自主化燃料原型組件下管座。

由西安鉑力特BLT-S300打印

BLT-S300采用選擇性激光熔化(SLM)技術，通過逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統(tǒng)機械加工無法制造的復雜金屬結構零件，制備的成形產品擁有致密性好、尺寸精度高的特點。同時金屬3D打印快速制造的技術特點，能夠縮減產品開發(fā)周期，降低設計與制造成本，快速、高性能的實現(xiàn)核燃料元件開發(fā)與制備。

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